استغلال التكامل الهجين المتنوع لربط نقل ومعالجة البيانات متعددة الأبعاد عبر المقاييس بين الألياف والرقائق

لماذا تحتاج أنابيب الإنترنت المستقبلية إلى نوع جديد من الجسور

كل مكالمة فيديو ونسخة احتياطية سحابية وتشغيل لتدريب نماذج الذكاء الاصطناعي يعتمد على ضوء يسرع عبر ألياف زجاجية رفيعة جدًا ودارات صغيرة على الرقاقة. لكن هناك عنق زجاجة مخفي اليوم: تتسابق البيانات بسرعة عبر الألياف البصرية لمسافات طويلة، ثم تصطدم بالإلكترونيات الأبطأ والتي تستهلك طاقة أكبر عند وصولها إلى أجهزة المعالجة في مراكز البيانات ونقاط الشبكة. تُظهر هذه الورقة طريقة جديدة لربط الألياف البصرية عالية السعة مباشرة بالرقائق الفوتونية المتقدمة، مما يقلص ذلك الاختناق ويشير إلى شبكات اتصال أسرع وأكثر كفاءة.

من كابلات المسافات الطويلة إلى الرقائق الصغيرة

تعتمد الشبكات الحديثة بشكل متزايد على «ممرات متعددة» للضوء، حيث تُحزم المعلومات في أبعاد عديدة في آن واحد: ألوان مختلفة (أطوال موجية)، واستقطابات، وأنماط مكانية (أوضاع) للضوء. يمكن للألياف قليلة الوضع حمل عدة أوضاع مكانية من هذا النوع، مما يزيد السعة بشكل كبير عبر مسافات طويلة. وعلى الطرف الآخر، تستطيع رقائق الفوتونيات السليكونية توجيه وفصل ومعالجة الضوء بمقاييس ملليمترية باستخدام موجّهاتٍ على الرقاقة ذات كثافة عالية. لكن هذين العالمين لا يتطابقان طبيعياً: تبدو أنماط الضوء داخل نوى الألياف مختلفة جداً عن الأوضاع داخل موجّهات الرقاقة ذات المقياس النانومتري. غالبًا ما تتطلب الحلول الحالية تحويلات وسيطة متعددة، وأرففًا من المعدات، وخطوات بصرية–كهربائية–بصرية متكررة تستهلك الطاقة وتضيف تأخيرًا.

بناء جسر عبر المقاييس

يقترح المؤلفون «جسرًا» هجينًا يجمع بين رقاقة زجاجية ثلاثية الأبعاد ودائرة فوتونية سليكونية ثنائية الأبعاد. بدلًا من محاولة مطابقة الأنماط متعددة الأوضاع المعقدة مباشرة بين الألياف والرقاقة، يحول الجسر الضوء أولًا إلى مصفوفة مرتبة من قنوات أحادية الوضع بسيطة. في الجزء الزجاجي، تُفصل الأنماط المكانية المختلفة (الأوضاع) القادمة من الألياف قليلة الوضع بعناية باستخدام موصل مُشوَّه بشكل خاص وتُوجَّه إلى موجّهات أحادية الوضع منفصلة، كل ذلك مكتوب في 3D باستخدام نبضات ليزر بفيمتو ثانية. ثم تسلّم هذه المسارات أحادية الوضع الضوء إلى رقاقة السليكون عبر وصلات مخروطيّة مصممة لفقدان منخفض وتحمل جيد لتباينات التصنيع.

تحويل الطرق البصرية إلى شبكات قابلة لإعادة التكوين

بمجرد وصول القنوات المفصولة إلى رقاقة السليكون، يعاد تشكيلها إلى الأوضاع التي تستخدمها الموجّهات متعددة الوضع على الرقاقة. تقوم بنى إضافية على الرقاقة بتقسيم وتدوير الاستقطاب بحيث يمكن معالجة كل شيء باستخدام وضع أساسي مشترك ومتحكم فيه جيدًا. قلب محرك المعالجة هو مبدل بث بصري قابل لإعادة التكوين كبير (ROADM) مبني من مصفوفات من المرنانّات الحلقيّة الصغيرة. عن طريق تسخين هذه الحلقات قليلًا، يمكن للفريق تحريك الألوان التي تتفاعل معها، مما يسمح بإضافة أو إزالة قنوات الأطوال الموجية المحددة من تدفق البيانات عند الطلب. أكثر من 2000 مكوّن فردي — تقاطعات، موصلات، مسخّنات، ووسادات تلامس — مدمجة على رقاقة سليكون واحدة لتحقيق 192 قناة مميزة تغطي ثلاث أوضاع مكانية، واستقطابين، و32 طول موجي.

اختبار النظام في سيناريو واقعي

لإظهار أن هذا أكثر من مجرد فضول معمل، بنى الباحثون تجربة نقل كاملة. أنتجوا 32 قناة طول موجي، كل منها يحمل إشارة بيانات عالية السرعة باستخدام صيغة تعديل متقدمة مشتركة. قُسِّمت هذه الإشارات بين ست تركيبات من الوضع والاستقطاب، أُطلقت في ألياف قليلة الوضع، مرت عبر الموصل الهجين ثلاثي/ثنائي الأبعاد، ووجّهتها رقاقة ROADM. عند المخرج، استعاد مستقبل متماسك ومعالجة رقمية البيانات. عبر جميع القنوات الـ192، بقيت معدلات الخطأ المقاسة دون عتبات تصحيح الأخطاء الأمامية القياسية عند مستويات نسبة إشارة إلى ضوضاء ضوئية عملية، ما يتوافق مع معدل تمرير إجمالي يقارب 20 تيرابت في الثانية. أظهرت الاختبارات مع أطوال ألياف أطول عقوبات أداء متواضعة فقط، ونطاق الضبط الواسع للمرنانّات سمح بإعادة تخصيص القنوات إذا فشل أي منفذ، مما حسّن المتانة.

ما الذي يعنيه هذا للإنترنت القادم

جوهرًا، تغلق هذه الدراسة فجوتين في آن واحد: فجوة الحجم الفيزيائي بين الألياف السميكة بعيدة المدى والموجّهات الصغيرة على الرقاقة، وفجوة الأداء بين النقل البصري فائق السرعة والمعالجة الإلكترونية الأبطأ. من خلال الجمع بين موجّهات زجاجية ثلاثية الأبعاد، وفوتونيات سليكونية ثنائية الأبعاد، ونسيج تحويل على الرقاقة عالي القابلية لإعادة التكوين، يظهر المؤلفون بنية قابلة للتوسع قادرة على نقل ومعالجة أحجام هائلة من البيانات دون العودة المستمرة إلى الإلكترونيات. وبينما تبقى تحسينات إضافية في الفقد والتوسيع والوظائف ممكنة، فإن نظام الألياف-الرقاقة هذا المكوّن من 192 قناة وسرعة إجمالية نحو 20 تيرابت/ثانية يمثل خطوة قوية نحو شبكات الاتصال المستقبلية حيث يبقى الضوء في المجال البصري من الكابل الرئيسي وصولًا إلى رقاقة المعالجة.

الاستشهاد: Li, K., Yan, G., Wang, K. et al. Harnessing diverse hybrid integration for bridging trans-scale multi-dimensional fiber-chip data transmission and processing. Light Sci Appl 15, 167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02194-9

الكلمات المفتاحية: الفوتونيات السليكونية, شبكات الألياف البصرية, تعدد الإرسال بتقسيم الوضع, مبدل البث البصري القابل لإعادة التكوين (ROADM), نقل بيانات بتيرابت